CN100381616C - 使用ac电场选择性对准纳米大小成分 - Google Patents

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Abstract

一种使用AC电场选择性对准和定位纳米大小的成分(22)的改进和新颖的方法。该方法提供纳米大小的成分跨接测试电极的更精确的处理，包括如下步骤：在单个电极(12)上或多个电极(12，14)之间提供交流电(AC)电场(60)，以在含有纳米大小的成分的环境中产生电场。从而该电场提供纳米大小的成分对预定位置的对准和定位。

Description

使用AC电场选择性对准纳米大小成分
技术领域
本发明涉及一种集合技术以利于电子分子的迁移测量，更具体地涉及一种使用交流电(AC)电场选择性对准和定位以及集合纳米大小成分的方法。
背景技术
分子电子学是迅速兴起的领域并且提供用于克服正研究的硅(Si)技术的微型化限制的装置。具有唯一的功能性的分子和纳米大小的成分可能被考虑为用于分子电子学的备选物。分子电子学面临的问题之一是把分子的信息/功能传递给“外部”世界。为了实现这个目的，需要发展一种简单而耐用的工序来选择性地把例如分子的纳米大小的成分放置和“连线(wire)”到金属电极上。“结合”要被测试的备选分子并判断它们的功能性的快速甄别(screening)法还被认为是朝向分子电子学的一个最重要步骤。评估分子电子学的可行性需要对它们潜在的应用甄别大量的纳米大小的成分。主要挑战是要使电接触分子以判断它们的传输特征。例如，分子系统的一般尺度颇低于电子束光刻技术的清晰度限制。尽管提出了各种制造方法，但对少量分子进行测量的快速而简单的方法仍然是个挑战。
在分子电子学技术中用于迁移测量的方法之一使用静电捕获来在受控的方式下用单个导电的纳米颗粒跨接电极。在静电捕获中，纳米颗粒用施加的直流电(DC)电场极化并且被吸附到电极之间场最大化的间隙。例如，一个方法讲授了使用DC偏压来吸附DNA、碳纳米管或其它纳米颗粒到一对电极。使用DC偏压作为施加的电场提供用于含有不希望杂质的带电的分子的吸附以跨接电极，并且产生对电极的不明确的选择性。
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，该方法与用DC电场已取得的效果相比，针对放置纳米大小的成分在单个电极上或多个电极之间取得了更好的控制和更好的选择性。
本发明的另一个目的是提供一种使用AC电场选择性对准和定位纳米大小的成分的方法。
本发明的又一个目的是提供一种利用AC电场选择性对准和定位纳米大小的成分的方法，该方法提供纳米大小的成分在跨接测试电极中更精确的处理。
发明内容
通过提供一种利用AC电场选择性对准和定位纳米大小的成分的方法充分满足这些和其它需要。该方法提供纳米大小的成分跨接测试电极的更精确的处理，包括如下步骤：在至少一个电极上提供交流电(AC)电场，以在含有纳米大小的成分的环境中产生电场。从而该电场提供纳米大小的成分对预定位置的吸附。
附图说明
从结合附图的本发明优选实施例的下列详细描述中，对本领域技术人员来说将变得很容易明白本发明的上述及更多、更加具体的目的和优势，其中：
图1和图2以简化的截面图示例了根据本发明选择性对准和定位纳米大小成分的方法的步骤；
图3以简化的等角视图示例了根据本发明选择性对准的方法纳米成分的选择性对准；
图4以简化的截面图示例了根据本发明选择性对准和定位多个纳米大小成分的可替换的方法；
图5以简化的截面图示例了根据本发明在溶液中使用两个电极选择性对准和定位纳米大小成分的可替换的方法；
图6以简化的截面图示例了根据本发明在溶液中使用一个电极选择性对准和定位纳米大小成分的可替换的方法；
图7示例了根据本发明选择性对准和定位纳米大小成分的方法中的步骤的简化流程图。
具体实施方式
公开了一种使用交流电(AC)电场的分子集合技术，以促进电子纳米大小成分的选择性对准和迁移测量。为便于该公开，术语纳米大小成分规定包括纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米杆、合成聚合物、合成分子以及含有DNA分子、蛋白质的生物分子，等等。随着振幅和频率的适当选择，AC偏置的使用显著地增强了理想的纳米成分比溶液中的其它污染物种类的位置，例如在含碳纳米管和有机或无机污染物的溶液中。
现在参考图1至图2，简化的截面图中所示例的是用于根据本发明纳米大小成分的选择性对准的组件结构以及使用该结构来提供选择性对准的方法。更具体地，图1中所示例的是选择性对准和定位纳米大小成分的方法中的第一步骤，其中提供分子组件10含有至少两个电极(目前所讨论的)。在该具体实施例中的组件10包括基板17，基板17由涂敷有绝缘材料18的半导体材料16构成。应当明白，本公开所期望的是基板17形成为例如玻璃、塑料、陶瓷的单层绝缘材料或将提供绝缘特性的任何电介质材料的可选择的实施例。通过形成绝缘材料的基板17，除去了对形成在半导体层或导体层(例如图1中的层18)的顶部上的分离绝缘层的需要。
在图1至图2中所示例的实施例中，公开了半导体材料16由本领域中所公知的任何半导体材料构成，例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、锗(Ge)、碳化硅(SiC)、砷化铟(InAs)，等等。公开了绝缘材料18由提供绝缘特性的任何材料构成，例如氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)，等等。半导体材料16和绝缘材料18一起形成基板17，如图1至图2中所示例的。在该具体的例子中，组件10包括在绝缘材料18的最上表面上形成的第一电极12和第二电极14。利用光刻技术和电子束光刻技术在已氧化的硅基板17上进行制造金属电极12和14。通过使用标准的提升脱离(liftoff)技术的标准PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蚀剂工艺构图电极12和14的精细特征。形成电极12和14来限定其之间的间隙20，并且为AC电场的应用作准备(如图2中所示例的)。
在操作期间，如图2中所示例的，在电极12和14之间施加AC电场，由此使悬浮在水环境23内的纳米大小的成分22朝场和/或场梯度最强的间隙20移动。应该明白，本公开所希望的是使用任何环境，例如含有纳米大小的成分的水或气环境。更具体地，图2示例了在电极12和14之间所捕获的80nmAu纳米颗粒22。这种接触电阻通常从1到3kΩ变化。这体现出纳米颗粒22的尺寸大于间隙20的情况。一旦纳米颗粒22跨接在间隙20上，就降低了间隙20中的电场，阻止另外的颗粒聚集。
就在AC电场捕获纳米颗粒22之前，在紫外(UV)臭氧中用30分钟清洗基板17，随后在酒精中浸泡20分钟来除去已氧化的Au。一滴(～5μL)商业利用的Au胶体在水中分散在基板上并且使用函数发生器使范围从1MHz到10MHz的AC偏压24(0.5-2.5V，峰值到峰值)施加到电极12和14。应当明白，AC偏压的振幅、频率和捕获时间可以改变，取决于纳米大小的成分的自然状态和浓度以及含有纳米成分的介质环境。在该具体例子中的捕获时间一般在5和30秒之间。原则上，我们可以使用直流电(DC)电场来捕获间隙中的纳米颗粒，但由于与AC电场相比DC电场的使用将导致低得多的成功率，因此这种DC电场不是选择的场。在AC电场的感应下，纳米颗粒22受到了把它们拽入间隙20中得到的最大场梯度方向的电解原子间致导电力(dielectrophoretic force)。使用该技术，用几乎100％的生产率在间隙20中捕获一般范围在尺寸从40至100nm的纳米颗粒22、或大量的纳米颗粒。在捕获纳米颗粒之后，把组件10放置在具有高纯去离子水(18MΩcm)的烧杯内一分钟，并随后旋转脱水。漂洗组件10的目的是为了除去剩余的溶液和纳米大小的成分。
现在参考图3，所示例的是图1至图2的器件10的可替换实施例，包括随意自组合的单层(SAM)，参考器件10′。应当注意到类似于图1至图2中所示例的成分的图3的所有成分用具有添加了指示不同实施例的符号的相似数字指示。此外，应明白当此处介绍SAM层的形成时，本公开所希望的是包括把测试分子粘附到表面上方法的任何处理。
器件10包括可随意自组合的单层(SAM)15。在含有形成在其之间的间隙20的成对的预构图的电极12和14上，单层15由重要的测试纳米大小的成分形成，更具体地为分子19。在该具体的实施例中，构成SAM15的分子19形成在相同分子类型的电极12和14上，这意味着在电极12的顶部上形成SAM15的分子19与在电极14的顶部上形成SAM15的分子类型相同。可选择地，构成SAM的分子可以在电极上形成不同的分子类型，这表示在一个电极的顶部上形成SAM的分子与在另一个电极的顶部上形成SAM的分子不同。另外期望随意的SAM15能形成在单个电极上。
在该具体的实施例中，利用电子束光刻技术制造在其之间限定范围从40至100nm的间隙20的金电极12和14。使用光刻技术限定包括焊接垫(未示出)的电极12和14的较大特征来形成相对较厚的Au层以利于焊接。构成SAM15的分子19具有已知对金(Au)具有高亲和性的硫醇终止，由此利用金(Au)的薄层(20nm)用于电极12和14的精细特征。在图3所示例的该具体的实施例中，在金属蒸发期间有意避免使用钛(Ti)粘附层，以便排除Au电极纳米颗粒接触的模糊。原则上，金属的选择和各种金属粘附层的内含物将取决于粘合其到电极12和14的分子的粘附部分。该公开期望自组合的单层(SAM)的一个可选择的实施例，其中SAM在跨接在电极上之前直接形成在纳米大小的成分上。直接在纳米大小的成分的表面上的SAM的这种制造将消除图3中所示例的用于形成SAM15的需要。
如图3中所示例的，AC电场24的应用提供在具有纳米大小的成分的电极12和14之间形成的间隙20的跨接，用金属化纳米颗粒22示范该具体的实施例。类似于参考图1和2介绍的实施例，该方法减轻了对制造极其窄的间隙(1-2nm)的需要，窄的间隙(1-2nm)一般需要用于电子纳米大小的成分的直接测量。所介绍的工艺产生经纳米颗粒串联连接的两个分离的分子阵列。
在制造期间，在形成SAM15之前，首先使用前面所介绍的UV臭氧处理和酒精浸泡来清洗基板17，并随后立刻传送到手套式操作箱中。在已用比拉(piranha)溶液(3∶1的H2SO4∶H2O2)清洗过的玻璃密封瓶中进行对Au电极12和14的测试分子的自集合。用10μL喷射氢氧化铵的Ar处理10mL刚蒸馏的四氢呋喃(THF)中的1.0mM溶剂的测试纳米大小的成分，以促进硫醇的去保护。在溶液中放置组件10并且在室温中用18-24小时得以继续SAM15形成。接着，从玻璃瓶中移开组件10并且用刚蒸馏的THF漂洗。最后，组件10被传送到手套式操作箱之外并立即用于Au胶体22的AC捕获及随后的电测量。
在又一个例子中，如图4中所示例的，常常出现两个或更多纳米颗粒22跨接间隙20。应注意到用具有添加了指示不同实施例的两个符号的相似数字指示与图1至图3中所示例的成分相似的图4的所有成分。这种类型的Au电极纳米颗粒组件10的电阻一般从100kΩ变化到数百MΩ。当纳米颗粒具有比形成的间隙20小的尺寸时，较大数量的纳米颗粒22将群集在间隙区20。
现在参考图5，在简化截面图中所示例的是根据本发明选择性对准和定位纳米大小的成分的又一个方法。更具体地，图5中所示例的是所示浸没在容器32内的组件30，容器32容纳含有大量纳米大小的成分36的溶液34。组件30包括形成作为第一电极40和第二电极42的一部分的探针38。探针38与用于提供AC电场44的装置电连接。在操作期间，用于输送AC偏压44的装置向电极40和42输送电场。此外，应明白根据纳米大小的成分36的自然状态和浓度及含有纳米大小的成分36的电介质环境，可以改变AC偏压44的振幅、频率和捕获时间。在AC电场44的感应下，纳米颗粒36受到了把它们拽入形成在电极40和42之间的间隙46中得到的最大场梯度方向的电解原子间致导电力。
现在参考图6，简化截面图中所示例的是根据本发明选择性对准和定位纳米大小的成分的另一种方法，其中显示单个探针组件30浸没在容纳含有大量纳米大小的成分36的溶液34的容器32中。应注意到用具有添加了指示不同实施例的符号的相似数字指示与图1至图3中所示例的成分相似的图6的所有成分。组件30包括形成一般类似于图1至图2的电极形成的单个电极40的单个探针38。探针38与用于提供AC电场44的装置电连接。在操作期间，用于输送AC偏压44的装置向电极40输送电场。此外，应明白根据纳米大小的成分36的自然状态和浓度及含有纳米大小的成分36的电介质环境，可以改变AC偏压44的振幅、频率和捕获时间。在AC电场44的感应下，纳米颗粒36受到了把它们拽入探针38及更具体的电极40的方向的电解原子间致导电力。使用该技术，在探针38上形成纳米颗粒36、或大量纳米颗粒。
现在参考图7，在简化流程图中所示例的是根据本发明选择性对准和定位纳米大小的成分的方法中的步骤50。首先，提供基板材料52，并且如果需要具有表面的话涂敷绝缘材料54。接着，使用标准硅处理技术在基板上形成一般类似于图1至图6中介绍的电极的至少一个电极56。形成电极的步骤56可以包括当形成至少两个电极时制造其之间的间隙，如上所述。在选择性对准工艺期间，定位至少一个电极接触含有纳米大小的成分的环境58。60施加AC电场给至少一个电极，由此使含在溶液内的纳米大小的成分累积在至少一个电极上，或者跨接在形成在至少两个电极之间的间隙上。此后进行迁移测量。
最后，此处我们展示的集合技术考虑到电子纳米大小成分的迁移测量。已报道了预先有源放置法并包括施加DC偏压以捕获两个电极之间的纳米大小的成分。由于施加恒量DC偏压，具有适当固有电荷的任何种类将被吸附到电极上，并且由于电渗力种类扩散。在许多例子中，重要的种类不能容易地净化或以合理的浓度得到。此处所介绍的是一种相对简单并且使用AC捕获纳米大小的成分的新方法。该工艺能够对准并定位纳米大小的成分。随着适当的选择振幅和频率，AC偏置的使用显著地增强了理想的纳米成分比溶液中的其它污染物种类的位置。从而，该技术潜在地考虑到一种快而容易的方法以表现出各种电子纳米大小的成分的特征。
当根据本发明我们已示出并介绍了选择性对准和定位纳米大小的成分的方法中的具体步骤时，对于本领域的技术人员将产生对工艺的更进一步的修改和改进。因此，我们希望应明白不局限于所示的具体步骤，并且我们想要在所附的权利要求中覆盖不脱离本发明的主旨和范围的所有修改。

Claims (11)

1.一种用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
提供基板材料；
在基板材料的最上表面上构图两个或更多电极，所述两个或更多电极具有在其之间形成的40到100纳米的间隙；
提供接触所述两个或更多电极的环境，该环境在其中含有纳米颗粒；
提供在所述两个或更多电极之间的交流电AC电场，由此捕获在所述两个或更多电极之间形成的间隙中的纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中所述提供基板的步骤包括：提供由半导体材料形成的基本平坦基板。
3.如权利要求1所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中所述在基板材料的最上表面上构图两个或更多电极，所述两个或更多电极具有在其之间形成的间隙的步骤包括：使用光刻技术进行构图。
4.如权利要求2所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，进一步包括步骤：在具有所述两个或多个电极中的至少一个的最上表面上形成测试纳米大小的分子的自组合单层SAM。
5.一种用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
提供半导体材料；
在所述半导体材料的最上表面上形成绝缘层；
在绝缘材料的最上表面上，构图在其之间形成的40到100纳米的间隙的两个或更多电极；
在具有所述两个或更多电极的至少一个的最上表面上形成测试分子的自组合单层SAM；
提供接触所述两个或更多电极的环境，该环境其中含有纳米颗粒；
提供在所述两个或更多电极之间的交流电AC电场，以产生电场，由此捕获与在所述两个或更多电极之间形成的间隙中的测试纳米颗粒匹配的至少一个纳米颗粒。
6.如权利要求5所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中所述提供半导体材料的步骤包括：提供由硅、砷化镓、锗、碳化硅、砷化铟。
7.如权利要求6所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中所述在半导体材料的最上表面上形成绝缘层包括：形成由二氧化硅SiO2和氮化硅SiN中的至少之一组成的绝缘层。
8.如权利要求7所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中所述构图在其之间形成的间隙的两个或更多电极的步骤包括：使用光刻技术进行构图。
9.如权利要求8所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中所述形成测试分子的自组合单层的步骤包括：在包含于所述环境内的纳米颗粒上形成自组合单层。
10.如权利要求9所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中，所述提供接触所述两个或更多电极的环境是提供含有与两个或多个电极接触的纳米颗粒的溶液，该步骤包括：提供包含胶态金属纳米颗粒。
11.如权利要求10所述的用于选择性对准和定位纳米颗粒的方法，其中所述提供在所述两个或更多电极之间的交流电AC电场，以产生电场，由此，在所述两个或更多电极之间形成的间隙中，捕获与测试纳米颗粒匹配的至少一个纳米颗粒的步骤包括：捕获多个纳米颗粒以跨过所述间隙。
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